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Vom Schaltplan bis zum fertigen Leiterplatten-Layout – allgemeinverständlich erklärt

Ich habe ja schon einmal mit einem Artikel den groben Ablauf einer Entwicklung versucht zu erklären. Dabei habe ich auch sehr oberflächlich den Stromlaufplan und das Leiterplattenlayout angeschnitten. Danach hatte Igor im Artikel “Warum die Leistungssteigerung von Nvidias Ampere durchaus gewaltig sein könnte – die Boardpartner müssen bereits jetzt in die Übungsphase” mehrere Details angesprochen, die im Nachhinein zu einer längeren Diskussion im Forum geführt hatte.

Da bei dem Thema immer wieder hohes Interesse gezeigt wurde und man deutlich gemerkt hat, dass es noch viele Unklarheiten darüber gibt, möchte ich hier anhand eines schönes Beispiels das Ganze etwas näher (und vor allem allgemeinverständlich genug) erklären. Der Artikel kann trotzdem, auch wenn ich ein paar Bilder und Texte wiederverwendet habe, unter Umständen etwas schwieriger zu verstehen sein als die sonst übliche Text-Kost, aber ich vertraue da ganz auf den Sachverstand der Leser diieser Seite. Insights und Praxis sind immer eine interessante Paarung.

Da ich selbstverständlich hier keine Daten von meinem Arbeitgeber veröffentlichen kann, habe ich für das Beispiel auf den iMX6 Rex inklusive Baseboard ( https://www.imx6rex.com/ ) von Robert Feranec (FEDEVEL Academy) zurückgreifen dürfen. Das Projekt wurde netterweise inklusive der Daten für das Programm Circuitmaker© und Altium Designer© als Open Source veröffentlicht und man hat mir dankenswerter Weise die Erlaubnis gegeben, die Daten für Artikel zu verwenden. Diese Daten werden derzeit auch für Kurse an der Fedevel Academy verwendet. Zusätzlich greife ich noch auf ein Beispiel zurück, dass ich privat im Programm Circuitmaker© mit Bauteilen aus der Octopart Library angefangen habe. Los geht’s!

Was ist noch einmal bitte ein Schaltplan?

Also fangen wir doch erst einmal mit einer Wiederholung von einem Teil des Entwicklungsartikels an. Ein Schaltplan enthält ein Schaltbild das normalerweise sämtliche elektrische Verbindungen darstellt. Dafür sind normalerweise je nach Projektgröße einige Seiten notwendig. Und nun kommen Symbole und die Bauteil-Bibliothek ins Spiel. Die einzelnen Bauteile in den Schaltplänen sind nämlich mit vereinfachten Symbolen dargestellt. Natürlich gibt es auch hier unterschiedliche Darstellungsweisen: Die im englischsprachigen Raum häufig verwendete IEC 60617 und die im deutschen Raum gängige EN-60617. Hier eine kleine Auswahl (Oben das in Deutschland übliche Symbol, unten das im englischsprachigen Raum übliche; die Farben sind frei gewählt):

Abbildung 1: Symbolbeispiele von einem Schaltplan

Bauteile mit vielen Anschlüssen werden häufig nur als Rechteck dargestellt und dabei dann die Anschlüsse entsprechend benannt.

Abbildung 2: Symbolbeispiel eines ICs in einem Schaltplan

Diese Symbole müssen natürlich erst einmal erstellt werden. Das ist tatsächlich zu großen Teilen Handarbeit. Es ist wirklich so, dass jeder Anschluss benannt werden sollte und auch die entsprechenden Eigenschaften (Ist es ein Eingang oder Ausgang usw.) zugewiesen werden sollte. Allerdings enthalten die Bibliotheken nicht nur die Symbole sondern auch die Bauteil-Footprints. Ein Footprint ist hier nichts anderes, als eine genaue Zeichnung, wie das Bauteil dann später auf der Leiterplatte aussieht. Je nach EDA-Programm kann ein Footprint auch die 3D-Daten eines Bauteiles enthalten. Hier mal eine grobe Aufschlüsslung, was man darunter zu verstehen hat:

Abbildung 3: Aufbau eines Footprints

 

Was ist hier was?

  • Die Lötstopplackfreistellung markiert den Bereich, der vom Lötstopplack freigestellt werden muss. Sonst könnte dort nichts gelötet werden, da der Lötstopplack, wie der Name schon sagt, das Löten effektiv verhindert.
  • Die Lötpastensiebaussparung ist wirklich genau das. Die Lötpaste wird ja über ein Sieb aufgetragen. Und logischerweise kommt nur dort Lötpaste hin, wo das Sieb ausgespart wurde
  • Das Kupfer ist letztlich das eigentliche Lötpad. Natürlich muss dieses auch nummeriert oder anderweitig beschriftet werden.
  • Zur Kontur oder dem Model muss man eigentlich nicht viel sagen. Man muss einfach wissen, wie groß das Bauteil ist.
  • Der Siebdruck findet sich zwar nicht auf jeder Leiterplatte, kann aber dennoch praktisch sein
  • Der Mittelpunkt ist meist auch der Punkt, der für SMD-Bestückungsautomaten genutzt wird. Der Freizuhaltende Bereich ist eine Hilfe für den Leiterplattenlayouter

Einige EDA-Programme unterstützen die Footprint-Erstellung mit Footprint-Generatoren.  Mit Hilfe dieser Generatoren lassen sich viele gängige Footprints mit relativ wenig Aufwand erstellen. Man tippt hierbei quasi die Abmessungen aus dem Datenblatt ab und der Generator macht den Rest. Es geht soweit, dass z.B. im Altium Designer© sogar das 3D-Model im Step-Format mit erstellt werden kann.

Abbildung 4: Circuitmaker© IPC® Compilant Footprint Wizard

 Allerdings muss man hier immer bedenken: Nicht jedes Footprint kann damit erstellt werden. Exotische Footprints sind dementsprechend meistens noch immer Handarbeit. Natürlich müssen die Lötpads vom Footprint noch mit den Anschlüssen vom Symbol verknüpft werden. Bei den meisten mir bekannten EDA-Programmen wird auch das noch in der Bibliothek gemacht.

Abbildung 5: Verknüpfung von Symbol und Footprint

Zusätzliche Informationen die üblicherweise mit in die Bauteilbibliothek gesteckt werden sind:

  • Bei passiven Bauteilen die jeweiligen Werte (z.B. der Widerstandswert) inklusive Toleranzen
  • Hersteller
  • Zertifizierungen des Bauteils z.B. AEC-Q
  • Lieferanten und Artikelnummer beim Lieferanten. Sofern möglich, werden hier mehrere reingepackt
  • Verfügbarkeit
  • Preis
  • Betriebsspannungsbereich
  • Betriebstemperaturbereich
  • Interface Typen (z.B. SPI, I²C, LVDS usw.)
  • Ersatztypen
  • Bauform (z.B. wie in diesem Beispiel SOT-23)

 

Verbindungen

Die Anschlüsse der Bauteile werden mit Linien verbunden, welche die elektrischen Verbindungen darstellen. Diese werden üblicherweise als Netze bezeichnet. Das sieht dann beispielsweise wie folgt aus:

Abbildung 6: Beispiel für die elektrischen Verbindungen in einem Schaltplan

Verbindungen zwischen 2 Leitungen, sogenannte Knotenpunkte, werden meist mit einem dicken Punkt dargestellt. Damit sind wir hier jetzt erst einmal durch.




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